某超期服役基坑安全性分析评价

2022-07-06蔡映坤李波王明山

地质灾害与环境保护 2022年2期

蔡映坤，李波，王明山

1. 昆明理工大学国土资源工程学院，昆明 650093;2.建研地基基础工程有限责任公司，昆明 650051)

1 引言

近年来，由于城市规模不断扩大，城市迅速发展，基坑工程不断涌现，设计支护难度不断提高。但在工程建设过程中，经常会出现设计调整、建设资金不足、古建筑物保护、合同纠纷等原因，基坑工程完工后就停工，导致基坑长时间搁置。

人们对超期服役基坑的稳定性、安全性的分析和研究逐年增加。近年来，随着计算机技术的快速发展，越来越多的研究者通过数值模拟软件，模拟超期服役基坑和基坑开挖，分析基坑开挖的变形规律、安全性、稳定性及影响因素，表明数值模拟在实际工程运用中的可行性[1-3]。张鑫全[4]对超期服役基坑再开挖进行有效的监测能避免工程事故的发生。高美玲[5]利用检测评估的方式对超期服役基坑桩锚结构进行安全性评估，并提出相应的加固措施。张兆龙[6]利用数值模拟方法与监测数据，对超期服役基坑进行分析，得出基坑超期服役后期整体趋于稳定。目前大多数的研究者对超期服役基坑的数值模拟主要采用二维的分析方法，分析结果存在一定的局限性。

为了分析评价该基坑目前的稳定性，为后续复工做准备。因此，充分了解该基坑现状，通过规范方法进行建模分析，同时结合现场踏勘、检测与监测数据，对基坑的安全性进行系统分析。通过对超期基坑的检测鉴定、安全评估，延长基坑服务时限，降低安全风险。

2 工程概况

2.1 基坑建设时间节点

该基坑于2013年5月开始基坑支护工程建设，至2016年2月15日完成基坑内支撑体系以及工程桩施工，目前基坑开挖深度约8.5 m，余6.85 m未开挖。项目受历史文化名城限高影响而停滞至今(基坑现状见图1)，期间因基坑截水帷幕渗水，于2018年5月26日至2018年9月15日对基坑截水帷幕进行了二次施工处理，该部分项工程已通过验收。

图1 基坑现状照片

2.2 基坑工程

该基坑项目拟建3层地下室，基坑周长288 m，开挖面积600 m2。拟建场地地面高程1 891.00～1 892.00 m，设计基底高程介于1 876.35～1 876.65 m之间，基坑设计开挖深度14.35～15.35 m。基坑支护采用混凝土内支撑体系，支护形式为“钻孔灌注支护桩+内支撑”的设计方案，支护桩直径为1 000 mm、1 200 mm，间距为1 300 mm、1 500 mm、2 000 mm的灌注桩；止水帷幕直径为1 200 mm，间距为800 mm，采用三重管高压半圆及全圆旋喷桩；工程桩为桩长33 m、直径600 mm的旋挖灌注桩(图2、图3)；基坑设计安全等级为一级，支护结构使用年限为2 a，现已超过支护结构使用年限，为超期服役基坑。

图2 基坑支护剖面图

图3 基坑第一道内支撑平面图

3 基坑的检测与监测

3.1 基坑的检测

为了更加直观地评价该基坑的安全性，对该基坑的结构安全性进行了检测，检测结果如下：

(1) 基坑周边巡查：经现场巡查检测，该基坑支护结构与周围土体未见明显脱离及开裂，周围土体、围护未见明显开裂或下沉。

(2) 冠梁、围檩及水平支撑混凝土梁损伤检测：共检测记录41条裂缝，主要为冠梁表面裂缝，其中表面裂缝最大宽度为2.40 mm。

(3) 冠梁、围檩及水平支撑砼梁混凝土强度满足设计要求，碳化深度为2.0 ～4.5 mm。

(4) 基坑格构柱检测位置焊缝，符合国家三级焊缝标准要求。

(5) 支护桩护壁未见明显裂缝。

综上所述，基坑支护结构未发生大的变形和破坏，表明该基坑目前处于稳定状态。

3.2 监测方案和数据分析

3.2.1 监测方案

该基坑场区周围工程建设较多，为了保证基坑在开挖和停工期间的安全性，需要对基坑进行监测。本文研究的是基坑的安全性，主要针对基坑的冠梁变形、周围地面沉降和深层水平位移3项来进行监测和分析。

主体倾斜观测采用TCA2003结合TCR402全站仪按直接投影法实施。基坑护壁顶的侧向水平位移观测仪器采用TCA2003 结合TCR402全站仪。在停工期间，本项目的监测方案如表1所示，基坑监测平面布置图如图4所示。

表1 基坑监测方案

图4 基坑监测平面布置图

3.2.2 监测结果分析

(1) 桩顶水平位移

根据基坑现状的监测数据，绘制得到该基坑的桩顶累计水平位移量空间及平面分布图(如图5所示)。基坑桩顶累计最大水平位移为-22.0 mm(9号点，其速率为-0.010 mm/d)，小于报警值30 mm，表明基坑处于稳定状态。从图中可以看出，基坑四周中部的桩顶累计水平位移要大于其它位置。

图5 基坑桩顶累计水平位移量空间及平面分布图

(2) 土体深层水平位移

根据基坑现状的监测数据，绘制出了基坑的土体深层水平位移随土体深度的变化图(如图6所示)，位移正值表示土体向基坑内位移。深层水平位移后续最大累计位移为7.55 mm(SC3号点0.5 m处)。从图中可以看出，基坑土体深层水平位移均向基坑内部位移；随着基坑土体深度的不断增加，土体深层水平位移不断减小。

图6 土体深层水平位移曲线图

(3) 基坑周边土体沉降

根据基坑现状的监测数据，绘制出了基坑周围地表各监测点累计位移随时间的变化曲线图，如图7所示，沉降负值表示土体下沉。从图中可以看出基坑周围地面累计沉降随时间的推移不断增大。其中，在基坑施工期间，周围土体的沉降量变化较大，在停工期间基坑的变化量较小，趋近于相对稳定的状态。表明基坑的稳定性主要受基坑土体开挖深度的影响较大，受停工时间的长短的影响较小。

图7 基坑周边土体沉降曲线图

4 数值模拟安全性评价

4.1 计算模型

考虑到施工过程中的空间效应，满足忽略边界效应的要求，模型长、宽、高分别为160 m×150 m×50 m(图8)，网格划分采用混合网格生成器，对该基坑附近的网格进行加密，以保证模型的分析更逼近实际情况。计算模型中，共计划分单元41 180个，网格节点81 218个，模型具体情况如下：

图8 计算模型(基坑现状)

(1) 土体本构单元的选取和模拟

Midas/GTS NX软件提供了15个本构模型，本次评估通过对实际工程的考量选取了修正M-C模型作为本次模拟工程的本构模型。修正M-C模型在M-C的基础上考虑了土体刚度与土体所受应力状态之间的动态关系，该模型是一种将非线弹性与塑性结合的组合模型。修正M-C模型适用于表达各种类型土中的动态行为特点，由于对砂性土和混凝土等具有摩擦性的土质拟合效果突出，所以本次土体本构单元选用修正M-C模型。并假设施工场地各土层均呈水平状分布，根据钻孔信息，对土层厚度进行加权平均。

(2) 基坑格构柱及内支撑构件的模拟

基坑格构柱、各内支撑构件均用梁单元模拟，基坑立柱采用植入式梁单元模拟。

(4) 边界条件

本次评估所用模型，除了顶面取为自由边界，其余面均采取法向约束或全约束。对模型中的格构柱、立柱、建筑物的桩都进行了RZ方向的约束。

4.2 模拟工况

根据地勘报告，地层主要由表层填土及其下的第四系冲(洪)积及湖(沼)相沉积层组成，第一大层为人工填土层；第二、三大层为第四系冲(洪)积层；第四～六大层为第四系湖沼相沉积。基坑结构材料和基坑围护桩材料均为C30混凝土，格构柱材料为Q235B，支护桩长度为24.0～29.5 m。计算模型中各材料参数取值见表2和表3。

表2 结构材料参数取值表

表3 地层参数取值表

通过在计算模型中设定施工阶段组来模拟基坑开挖施工工况，分步激活相应网格组以实现初始阶段及围护结构的建立，分步钝化开挖土体网格组以实现基坑分层开挖，施工模拟工况分为以下7个工况：

工况1：初始应力场分析，设置位移清零；

工况2：基坑围护结构进行施工；

工况3：基坑开挖第一层至3.5 m；

工况4：基坑第一道内支撑施工；

工况5：基坑开挖第二层至现状深度8.5 m；

工况6：基坑第二道内支撑施工；

工况7：基坑停工至2021年3月的应力非线性时程分析。

4.3 计算结果分析

为了后续更好地与监测数据对比分析，评价该基坑安全性，此次桩顶水平位移和土体深层水平位移数值模拟计算结果的提取点主要是根据基坑监测平面图(见图4)上对应的监测点来提取计算结果。而基坑周边土体沉降计算结果提取的位置位于基坑四周中部地表垂直于基坑边，并距基坑边0 m至模型边界处。数值模拟计算结果中的部分云图如图9所示。

图9 基坑竖向位移(工况6)

(1) 土体深层水平位移

在基坑现状下，各监测点数值模拟的深层水平位移计算结果随深度的变化(正值表示向坑内位移)，如图10所示。从图10(a)中可以看出，基坑深层水平位移方向均为向基坑内位移，最大值为6.59 mm(SC2号点0 m处)，随着基坑土体深度的不断增加，基坑土体深层水平位移不断减小。从图10(b)中可以看出，受基坑开挖深度影响较大，未开挖部分的土体深层水平位移较小。

图10 基坑深层水平位移曲线图(计算结果)

(2) 基坑周边土体沉降分析

在基坑现状下，周边土体竖向位移随距离基坑边距离的变化关系，如图11所示。从图中可以看出基坑周边土体竖向位移均为沉降，随基坑开挖的深度增大而增大，随距离基坑边的距离增大后又减小，在2～3 m的位置达到了峰值。根据分析结果可以看出，周边土体竖向位移的最大值在基坑西侧12.81 mm(下沉)，距离基坑边3 m处出现。

(3) 桩顶水平位移

在基坑现状下，桩顶水平位移各监测点计算结果随基坑开挖深度的变化关系(位移正值表示向基坑内位移)，如图12所示。从图中可以看出，基坑桩顶水平位移均向坑内，随基坑开挖的深度增大桩顶水平位移不断增大，但增大的趋势不明显。各监测点不同工况下变化趋势较为一致。

4.4 数值模拟结果与监测数据对比分析

为了表明数值模拟的可信度，以及数值模拟结果和监测数据的差距，对两个结果进行对比分析。

在进行土体深层水平位移对比分析时，为了使对比更加鲜明，通过计算出所有监测点数据和数值模拟结果的平均值，并绘制监测点深层水平位移随深度变化曲线图，如图13所示。从图中可以看出，数值模拟结果与监测数据变化趋势相同，实际监测数据最大值为5.75 mm(0.5 m深处)，模拟结果中最大值为5.52 mm(0.5 m深处)，误差为0.23 mm，误差较小。基坑土体深度在20 m以内时，监测数据与数值模拟结果吻合度高，变形趋势较为一致，误差较小，变形在可控范围之内，表明数值模拟对基坑变形预测以及评估分析有一定的科学性。

图13 土体深层水平位移对比曲线图

基坑不同工况下，各监测点的桩顶水平位移的变化与实际的监测数据进行对比，如图14所示。从图中可以看出，数值模拟结果与监测数据变化趋势相同，但监测数据数值相对偏大。随基坑开挖深度的不断增大，基坑桩顶水平位移也在不断增大。

图14 桩顶水平位移对比曲线图

在基坑周边土体沉降对比中，由于监测数据较少，监测点位置单一，不能反映出周边土体沉降监测位移随距离基坑边距离的变化关系，导致两者对比存在一定的局限性，从而表现出三维数值分析考虑因素较多，能对基坑整体的稳定性做出更加直观合理的评价。从监测数据和数值模拟计算结果来看，基坑周边土体沉降均在可控范围之内，小于监测报警值30 mm。